TÚLKONSZOLIDÁLTSÁG HATÁSA A GEOTECHNIKAI EREDMÉNYEKRE EFFECT OF OVERCONSOLIDATION ON THE GEOTECHNICAL RESULTS

Átírás

1 TÚLKONSZOLIDÁLTSÁG HATÁSA A GEOTECHNIKAI EREDMÉNYEKRE ÖSSZEFOGLALÁS EFFECT OF OVERCONSOLIDATION ON THE GEOTECHNICAL RESULTS Józsa Vendel BME Geotechnikai Tanszék, PhD hallgató Hazánkban egyre nagyobb szükség van a nagymélységű földalatti műtárgyak létesítésére. Problémát jelent a gépjárművek akár nappali, akár éjszakai elhelyezése, amelyre az újépítésű épületek alatti teremgarázsok és a tömegközlekedést segítő metróvonalak jelenthetnek megoldást. Az ilyen típusú műtárgyak olyan mélységben kerülnek beépítésre, ahol már nem elhanyagolhatóak a speciális paraméterek, mint például a túlkonszolidáltság (OCR). A geotechnikai tervezés és kivitelezés szempontjából jelentős szerepet játszanak a vízszintes földnyomás és a számításához szükséges paraméterek is. A túlkonszolidált talajok a támszerkezetek elmozdulásait, igénybevételeit kedvező és kedvezőtlen módon is befolyásolhatják. Az ilyen típusú talajok kezelését a véges elemes programok már lehetővé teszik, de a paraméterek megbízhatósága nagyban függ a különböző laboratóriumi, helyszíni mérésektől, valamint számítási módszerektől. A CPT szondázás eredményeiből és a laboratóriumi mérésekből képet kaphatunk a talajok túlkonszolidáltságának fokáról, amelynek értéke már nagyobb biztonsággal beépíthető a számítógépes programokba. A CPT szondázás eredményeit közvetlenül is befolyásolhatja a túlkonszolidáltság, amelynek mértékét szintén véges elemes programmal szemléltethetjük. A tervezéshez szükséges geotechnikai paraméterek megbízhatóságának növelése érdekében valós és virtuális számításokra is szükség van, ezáltal pontosabb eredményeket és gazdaságosabb szerkezeteket kaphatunk. KULCSSZAVAK/KEYWORDS CPT szondázás, túlkonszolidáltsági fok, befogott támszerkezet CPT, overconsolidation ratio, embedded retaining structures 1

2 1 BEVEZETÉS Magyarország a miocén végén és pliocén földtörténeti korszakokban jelenlévő egykori Pannon-tenger területén fekszik. Fennállása során 3-4 km vastagságú üledékrétegek halmozódtak fel a fenekén. A különböző vastagságú ősi üledékrétegek előterhelést, majd lepusztulásuk folyamán tehermentesülést eredményeztek a mai talajrétegekben. Az előterhelés mértékét a túlkonszolidáltsági tényezővel (OCR) tudjuk figyelembe venni. A túlkonszolidált talajok a földmegtámasztó támszerkezetek elmozdulásait, igénybevételeit kedvező és kedvezőtlen módon is befolyásolhatják, ezért elengedhetetlen annak vizsgálata. A túlkonszolidáltság meghatározására szükségünk van az előterhelés nagyságára, más néven az előkonszolidációs feszültségre (σ' p ), valamint a hatékony függőleges feszültségre (σ' v0 ). A két feszültség hányadosa fogja megadni a túlkonszolidáltság fokát: p OCR (1) v0 A cikk az előkonszolidációs feszültség megállapításával, valamint a laboratóriumi vizsgálat eredményeinek feldolgozásával foglalkozik. Berettyóújfalu környékén 22 db fúrás különböző mélységeiből összesen 130 db talajmintát vettünk, amelyek összevetésre kerültek a hozzájuk tartozó CPT szondázási eredményekkel a megfelelő mélységben. Az adatok kiértékelésének foka kb. 50%-os. A szondázási adatok felhasználásánál a CPeT-IT szoftvert alkalmaztuk, ahol egyaránt kaphatunk közvetlen és származtatott paramétereket is. 2 ELŐKONSZOLIDÁCIÓS FESZÜLTSÉG MEGHATÁROZÁSA A nemzetközi és hazai szakirodalom több lehetőséget is nyújt, amelyek figyelembevételével laboratóriumi és in situ vizsgálatok eredményeit vetjük össze hazai talajviszonyok mellett. Az egyik lehetőség a laboratóriumban végzett egydimenziós ödométeres vizsgálat nagyon jó minőségű zavartalan minta felhasználásával. Az egydimenziós terhelés (konszolidációs teszt) folyási pontja mutatja az előkonszolidációs feszültséget (σ p '). Az ödométeres vizsgálat lehetőséget ad további paraméterek meghatározására is, mint például kompressziós index (C c ), rekompressziós index (C r ), stb. Az ödométeres vizsgálat eredményét az 1. ábra szerint szokás ábrázolni, ahol a vízszintes tengely a hatékony konszolidációs feszültség logaritmikus léptékben, a függőleges tengely pedig a hézagtényező (e). 1. ábra: A Casagrande-féle módszer az előkonszolidációs feszültség megállapításához 2

3 σ' p megállapításhoz alkalmazható a Casagrande-féle módszer (1936) (1. ábra), Schmertmann-féle módszer (1955), Janbu módszer (1969), stb. A keresett feszültségi érték a mérési pontokra illesztett két fő egyenes metszéspontjához tartozó érték leolvasásából adható meg. Az előkonszolidációs feszültség meghatározására az ödométeres vizsgálatnál a Casagrande-féle módszer került kiválasztásra. A mérnökgyakorlatban nagyon elterjedt a CPT szondázás, ahol szintén találkozhatunk az előkonszolidációs feszültség megállapításának módszereivel. Az egyik ilyen lehetőség a szondázási eredményekből származó korrigált csúcsellenállás (q t ) és függőleges feszültség (σ' v0 ) figyelembevétele (Mayne 1995; Demers és Leroueil 2002) ép állapotú agyagtalaj mellett: (2) p 0.33 ( qt v0) A (2) egyenletben szereplő 0,33 os szorzószámot szokás túlkonszolidáltsági szorzótényezőnek nevezni (k OCR ), amelynek értéke a talaj típusától függően változhat. A q tag a továbbiakban csökkentett csúcsellenállás néven szerepel. t v0 A szondakúp vállövében található piezométer esetén az előkonszolidációs feszültséget a korrigált csúcsellenállás és pórusvíznyomás (u 2 ) felhasználásával számíthatjuk (Mayne 2005):.60 ( u ) (3) p 0 q t 2 Az előkonszolidációs feszültség meghatározására szondázási eredményekből a (2) és a (3) egyenlet alapján történt. 3 EREDMÉNYEK ISMERTETÉSE ÉS ÉRTÉKELÉSE A 2. ábra a laboratóriumi előkonszolidációs feszültség és a szondázási adatokból számított csökkentett csúcsellenállást hasonlítja össze. Azt tapasztaljuk, hogy a Mayne által megadott görbe alatt helyezkednek el a mérési adatok, ami arra enged következtetni, hogy a laboratóriumi értékek kisebbek a szükségesnél, feltételezve, hogy a hazai talajokra szintén alkalmazható az összefüggés. A kisebb értékeket az ödométeres vizsgálat során a max. 400 kpa-os feszültség alkalmazása okozhatja, hiszen az 1. ábra jól szemlélteti, hogy ajánlott a kb kpa-t elérni az érintő egyenesek meghatározásához, valamint tehermentesítést és újraterhelést is alkalmazni. A jelen ödométeres vizsgálat nem tartalmazott újraterhelést és tehermentesítést. Ezt és a feszültségtartományt figyelembe véve a Casagrande-féle módszer által meghatározott előkonszolidációs feszültség kpa között mozoghat, amellett, hogy a görbe további lefutását csak becsülni lehet. 3

4 2. ábra: A laboratóriumi előkonszolidációs feszültség és a csökkentett csúcsellenállás kapcsolat A 3. ábra az előkonszolidációs feszültség mélység szerinti változását mutatja be három különböző módszer kapott eredmények alapján. A zöld pontok a laboratórium, a piros pontok a (2) egyenlet és a kék pontok a (3) egyenlet alapján lettek meghatározva. Ezt a sorrendet követve a módszerek egyre nagyobbak értékeket adnak, amelyből azt lehet megállapítani, hogy a valódi feszültségi érték ebben a tartományban helyezkedik el. A pontok elhelyezkedéséből megállapítva a nagy szórás mellett némi növekedő tendencia mutatható ki mélység szerint. A kérdéses szórást nagymértékben befolyásolhatja a talajrétegződési anomáliák, betelepülések, hiszen az eredmények egy adott mélységből származnak, valamint a számítási módszer is. 3. ábra: Az előkonszolidációs feszültség mélység szerinti változása 4

5 A túlkonszolidáltsági tényezőt az előkonszolidációs feszültség és a hatékony függőleges feszültség hányadosaként számíthatjuk. A 4. ábra a túlkonszolidáltsági tényező változását szemlélteti mélység szerint, összehasonlítva az egyes módszerekkel. Az OCR számításánál a 3. ábra adatai lettek felhasználva, ahol a módszereket a színek különböztetik meg. A pontokra illesztett hatvány görbe minden egyes módszernél azonos viselkedést mutat, mélységgel csökkenő tendenciát. A görbék illesztésénél a korrelációs tényező értéke (R 2 ) 0,82 és 0,94 között változik, amely meglehetősen jó közelítést jelent. A felső néhány méterben túlzottan nagy értékeket kapunk, ezért a felhasználható tartomány 3 5 méteres mélység alatt helyezkedik el. OCR értéke így 1 és 15 között változik. 4. ábra: A túlkonszolidáltsági tényező változása mélység szerint, összehasonlítva az egyes módszerekkel 4 ÖSSZEFOGLALÁS A túlkonszolidáltsági tényező meghatározó szerepet tölt be a reziduális nyírószilárdság (τ v ) elérésének útjában, ugyanis a kezdeti alakváltozásoknál a nyírószilárdság magasabb értéket (τ cs = c u ) vesz fel a normálisan konszolidált talajokéhoz képest (5. ábra). Magas OCR értékkel rendelkező talajok a tehermentesülés (bevágás, munkagödör határolás) vagy nagy alakváltozás hatására veszítenek teherbírásukból. Földmegtámasztó szerkezet, például szádfal esetében pedig növekvő OCR hatására kisebb elmozdulások és nyomatékok jönnek létre a munkagödör irányában (5. ábra). 5

6 5. ábra: Túlkonszolidáltság hatása a nyírószilárdságra és földmegtámasztó szerkezet elmozdulásaira A számítások alapján megállapítható, hogy a gyakorlat és a szakirodalom kínálta számítási módszerek alapján a CPT szondázásból származtatott és a laboratóriumi előkonszolidációs feszültségből számított túlkonszolidáltsági tényező értékek egy adott tartományban mozognak a számítási módszertől függően és a mélységgel csökkenő tendenciát mutatnak. További kutatási, adatfeldolgozási javaslatok: - adatfeldolgozási módszerek pontosítása; - kiugró értékek kiejtése a mérési sorozatból statisztikai módszerek figyelembevételével; - ödométeres vizsgálat feszültségtartományának növelése, kifejezetten az előkonszolidációs feszültség meghatározása érdekében kiegészítve tehermentesítési, újraterhelési szakaszokkal; - a zavartalan minta változása okán lehetőség szerint kiegészítő labor,- és in situ vizsgálatok elvégzése; - a talajtípusokra vonatkozó adatszétválasztás a számítások során. 5 IRODALOMJEGYZÉK 1. Chen B.S, Mayne P.W.: Profiling the Overconsolidation Ratio of Clays by Piezocone Tests, Atlanta, Georgia, Fellenius B.H., Eslami A.: Soil Profile Interpreted from CPTu Data, Year 2000 Geotechnics, Geotechnical Engineering Conference, Asian Institute of Technology, Bangkok, Thailand, November 27-30, 2000, 3. Józsa V.: Effects of rarely analyzed soil parameters for FEM analysis of embedded retaining structures, 21st European Young Geotechnical Engineers Conference, Rotterdam, Kim D., Shin Y., Siddiki N.: Geotechnical Design Based on CPT and PMT, Joint Transportation Research Program, 2010/4 5. Lunne T., Robertson P.K. and Powell J.J.M.: Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice, Taylor & Francis, London, Mayne P.W.: Profiling Overconsolidation Ratio in Clays by Piezocone and Flat Dilatometer Tests 7. National Cooperative Highway Research Program (Synthesis 368): Cone Penetration Testing, Washington, D.C

7 6 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretném megköszönni Tóth Rolandnak (Geo-Terra Kft.), hogy laboratóriumi és szondázási adatokkal támogatta munkámat, valamint Czap Zoltánnak, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Geotechnikai Tanszék mestertanárának, hogy konzultációival segített a fent említett témakör kérdéseiben. 7